Способ определения координат исполнительного механизма подвижного объекта

 

Использование: в системах обеспечения инженерно-технических, спасательных и др. работ, для определения координат исполнительного механизма с высокой точностью. Сущность изобретения: в двух контролируемых точках и на опорном пункте принимают сигналы от навигационых спутников, измеряют на опорном пункте и в двух контролируемых точках подвижного объекта навигационные параметры от соответствующих спутников, на подвижном объекте переизлучают навигационные параметры и параметры положения исполнительного механизма относительно подвижного объекта, принимают на опорном пункте сигналы, излученные с подвижного объекта, определяют координаты исполнительного механизма по расстояниям, полученным между соответствующими навигационными спутниками и по крайне мере двумя контролируемыми точками объекта, а также по измеренному положению исполнительного механизма относительно подвижного объекта. 7 ил.

Настоящее изобретение относится к способам определения координат исполнительного механизма подвижного объекта.

Изобретение может быть использовано в системах обеспечения инженерно-технических, спасательных и других работ при выполнении которых стоит задача дистанционного определения координат исполнительного механизма с высокой точностью.

Известен способ определения координат каждого из m активных объектов, заключающийся в том, что последовательно во времени излучают сигнал каждым из m активных объектов, принимают излученный каждый из m активных объектов сигнал на ведущем маяке, запоминают фазы, задерживают и переизлучают сигналы, принятые от каждого их m активных объектов сигналов на первом и втором ведомых маяках, запоминают их фазы, задерживают и их переизлучают, принимают на k-м активном объекте сигналы k-го активного объекта, переизлученные ведущим и первым и вторым ведомыми маяками и определяют дальность к-го объекта до первого и второго ведомых маяков, на k-м активном объекте принимают сигналы, переизученные ведущим и первым и вторым ведомыми маяками от каждого из m активных объектов, а дальность до первого и второго ведомых маяков определяют по определенной формуле.

Данный способ позволяет дистанционно определять местоположение объекта, на котором установлена приемопередающая антенна и соответствующая аппаратура.

Недостатком данного способа является снижение точности измерения при увеличении рабочей зоны (увеличение расстояний от ведущего и ведомых маяков), ограниченная рабочая зона и невозможность определения координат исполнительного механизма в недоступных местах (например, при радиоактивном заряжении, под водой, при тушении пожаров и т.д.

Известен способ измерения, осуществляемый в устройстве для съемки дражного забоя. Способ заключается в том, что измеряют расстояние от двух опорных пунктов до двух контролируемых точек подвижного объекта, определяют ориентацию подвижного объекта в забое и измеряют глубину забоя по продольной оси объекта [1] Указанному способу присущи следующие недостатки: ограниченная рабочая зона, низкая точность измерения при увеличении рабочей зоны, невозможность автоматического определения местоположения исполнительного механизма.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет автоматического дистанционного определения местоположения исполнительного механизма подвижного объекта.

Это достигается тем, что способ определения координат исполнительного механизма подвижного объекта, заключается в том, что измеряют положение исполнительного механизма относительно подвижного объекта и измеряют расстояние по крайней мере до двух контролируемых точек подвижного объекта, расположенных вдоль оси объекта, в по крайне мере двух контролируемых точках подвижного объекта и на опорном пункте принимают сигналы от навигационных спутников, измеряют на опорном пункте и по крайней мере в двух контролируемых точках подвижного объекта навигационные параметры от соответствующих спутников, на подвижном объекте переизучают, полученные навигационные параметры и параметры положения исполнительного механизма, принимают на опорном пункте сигналы, излученные с подвижного объекта и определяют координаты исполнительного механизма по расстояниям, полученным между соответствующими навигационными спутниками и по крайней мере двумя контролируемыми точками объекта, а также по измеренному положению исполнительного механизма относительно подвижного объекта.

Введение перечисленных операций позволяет повысить точность и расширить функциональные возможности при дистанционном определении местоположения исполнительного механизма. Повышение точности дистанционного определения координат исполнительного механизма подвижного объекта в трехмерном пространстве достигается за счет определения навигационных параметров по крайней мере в двух контролируемых точках подвижного объекта и на опорном пункте по навигационным сигналам, излучаемым соответствующими спутниками, а также за счет измерения положения исполнительного механизма относительно подвижного объекта.

Изобретение поясняется описанием конкретных примеров его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 структурная схема системы дистанционного определения координат исполнительного механизма плавучего крана (манипулятора); на фиг. 2 структурная схема системы дистанционного определения координат исполнительного механизма многочерпакового земснаряда; на фиг. 3 схема аппаратуры, устанавливаемой на подвижном объекте; на фиг. 4 схема аппаратуры, устанавливаемой на опорном пункте; на фиг. 5 блок-схема алгоритма вычислительного блока; на фиг. 6 - временные диаграммы работы вычислительного блока; на фиг. 7 схема варианта вычислительного блока.

Выполнение способа может быть реализовано системой, которая (фиг. 1) содержит опорный пункт 1, одну контролируемую точку подвижного объекта 2; вторую контролируемую точку подвижного объекта 3, исполнительный механизм 4, датчик положения например, в вертикальной плоскости относительно продольной оси подвижного объекта 5, датчик положения, например, в горизонтальной плоскости относительно продольной оси подвижного объекта 6, навигационные спутники 7₁-7_к. Аппаратура, функционирующая на подвижном объекте (фиг. 3) содержит первую приемную антенну 8, установленную в одну контролируемую точку 2 и соединенную с первым приемником навигационных сигналов 9, вторую приемную антенну 10, устанавливаемую во вторую контролируемую точку 3 и соединенную со вторым приемником навигационной сигналов 11, первый датчик положения 12, второй датчик положения 13, блок управления 14, коммутатор 15, входы которого соединены с выходами первого приемника 9, второго приемника 11, первого датчика положения 12, второго датчика положения 13 и блока управления 14, выход коммутатора 15 подключен к последовательно соединенным модулятору 16, передатчику 17, передающей антенне 18. Аппаратура, функционирующая на опорном пункте 1 (фиг. 4), содержит первую приемную антенну 19, соединенную с приемником навигационных сигналов 20, последовательно соединенные вторую приемную антенну 21, приемник 22 и демодулятор 23, блок управления 24, вычислительный блок 25, входы которого соединены с выходами приемника 20, демодулятора 23 и блока управления 24, выход вычислительного блока 25 соединен с блоком ввода-вывода 26.

Способ осуществляется следующим образом.

На подвижном объекте в первой и второй контролируемых точках 2 и 3, а также на опорном пункте 1 принимают одновременно сигналы от навигационных спутников 7₁-7_k, определяют навигационные параметры от соответствующих спутников, которые переизлучают в пространство с подвижного объекта. На подвижном объекте измеряют параметры положения исполнительного механизма 4 датчиками положения в вертикальной и горизонтальной плоскостях 5 и 6 соответственно, значение которых изучают в пространство. На опорном пункте 1 принимают сигналы излучаемые с подвижного объекта. Затем на опорном пункте 1 определяют координаты исполнительного механизма 4 по расстояниям, полученным между соответствующими навигационными спутниками 7₁-7_k и двумя контролируемыми точками 2 и 3 объекта, а также по измеренному положению исполнительного механизма 4 относительно подвижного объекта.

Система определения координат исполнительного механизма подвижного объекта работает следующим образом. На подвижном объекте антеннами 8 и 10 принимаются сигналы от навигационных спутников 7₁-7_k, которые обрабатываются в приемниках навигационных сигналов 9 и 11 соответственно. С выходов приемников 9 и 11 через коммутатор 15 сигналы, в которых содержится информация о номере спутника, времени приема навигационного сигнала, измеренных временных задержках и фазах несущих частот по каждому спутнику 7₁-7_k поступает на модулятор 16. Первым датчиком положения 12 измеряется угловое положение исполнительного механизма 4 в вертикальной плоскости относительно подвижного объекта α вторым датчиком положения 13 измеряется угловое положение исполнительного механизма 4 в горизонтальной плоскости относительно подвижного объекта b С выходом датчиков положения 12 и 13 через коммутатор 15 сигналы от датчиков положения 12 и 13 поступают на модулятор 16. Блоком управления 14 и коммутатором 15 обеспечивается поочередное подключение ко входу модулятора 16 выходов приемников 9, 11, датчиков положения 12, 13. В передатчике 17 преобразуются, усиливаются и антенной 18 излучаются сигналы, содержащие навигационную информацию от спутников 7₁-7_k в точках приема 2, 3 и характеризующую их местоположение с высокой точностью, а также информацию, характеризующую положение исполнительного механизма 4 относительно подвижного объекта. На опорном пункте 1 сигналы принимаются антенной 21, усиливаются в приемнике 22 и выделяются на выходе демодулятора 23 сигналы, в которых содержится информация о номере спутника, времени приема навигационного сигнала, измеренных временных задержках и фазах несущих частот по каждому спутнику 7₁-7_k в точках приема 2, 3, и информация о положении исполнительного механизма 4 относительно подвижного объекта. Данная информация вводится в вычислительный блок 25. На опорном пункте 1 антенной 19 принимается сигналы от навигационных спутников 7₁-7_k, которые обрабатываются в приемнике навигационных сигналов 20. С выхода приемника 20 сигналы, в которых содержится информация о номере спутника, времени приема навигационного сигнала, измеренных временных задержках и фазах несущих частот по каждому спутнику 7₁-7_k поступают также на вычислительный блок 25. Блоком управления 24 обеспечивается ввод данных в вычислительный блок 25 от приемника навигационных сигналов 20, демодулятора 23 в течение времени T в соответствии с фиг.6. В вычислительном блоке 25 по информации о номере спутника, времени приема навигационного сигнала, измеренных временных задержках и фазах несущих частот по каждому спутнику 7₁-7_k в точках приема 1, 2, 3 определяются расстояния r₁₁-r_k1, r₁₂-r_k2, r₁₃-r_k3 от соответствующих точек приема до спутников 7₁-7_k (фиг. 1). По полученным данным об измеренных расстояниях и известным положениям точек приема 2, 3 относительно подвижного объекта в вычислительном блоке 25 определяется ориентация подвижного объекта, по которой в вычислительном блоке 25 с учетом информации о положении исполнительного механизма 4 относительно подвижного объекта a,β,l определяется с высокой точностью местоположение исполнительного механизма 4. Затем цикл работы системы повторяется. Алгоритмы расчета положений точек 2 и 3 приведены в [3, 4] При этом считается, что координаты спутников 7₁-7_k известны на опорном пункте 1 с достаточной точностью (фиг.1).

Вычислительный блок 25 может быть реализован как на элементах "жесткой" (непрограммируемой) логики, так и на основе микропроцессора по типовой структуре.

Структурная схема варианта вычислительного блока 25 приведена на фиг.7. Дешифратор 30 обеспечивает выбор постоянного 28 или оперативного 29 запоминающих элементов, в которых хранятся программы, константы или текущая информация соответственно. Микропроцессорный модуль 27 выполняет обработку и обмен информацией в соответствии с блок-схемой (фиг.5) и связан с блоками 28-30 шиной адреса (ША) и информационной шиной данных (ШД), может иметь управляющие выходы с сигналами "чтение" и "запись" для управления постоянным 28 и оперативным 29 запоминающими элементами соответственно, "вывод", например, для вывода информации по шине ШД в блок ввода-вывода 26 для индикации, вход "запрос прерывания" для ввода информации в вычислительный блок 25 от блоков 20, 23.

При реализации вычислительного блока 25 на базе микропроцессора К 550 микропроцессорный модуль 27 состоит из трех БИС-центрального процессора К580ИК80, системного контроллера К580ВК88, тактового генератора К580ГФ24.

Длительность цикла работы системы выбирается таким образом, чтобы успевали выполняться прием, измерения, передача навигационной и измерительной информации.

Если необходимо определять координаты дополнительного механизма в трехмерном пространстве, тогда предусматривается по крайней мере еще одна контролируемая точка на подвижном объекте, которую предпочтительнее расположить под углом 90^o к вектору между первой и второй контролируемыми точками.

Рассмотрим числовой пример.

Пусть в качестве навигационных спутников используются, например, спутники системы "Глонасс". Тогда одновременный прием в точках 1, 2, 3 навигационных сигналов по крайней мере от четырех спутников позволяет определить координаты объекта. При этом аппаратурная погрешность измерения на несущих частотах системы "Глонасс" в диапазоне частот 1600 МГц, составит Δϕ ≈ 0,01^o (<4).

Тогда аппаратурная погрешность измерения расстояний r₁-r_k1 в опорном пункте 1 составит несколько миллиметров, а передача измеренных данных с подвижного объекта на опорный пункт 1 позволяет учитывать методические и систематические погрешности ориентации подвижного объекта. При этом погрешность определения координат точек 2 и 3 может составлять единицы сантиметров. Погрешность определения местоположения исполнительного механизма 4 зависит от погрешности измерения величин a,β l и на практике может составлять единицы, десятки сантиметров.

Формула изобретения

Способ определения координат исполнительного механизма подвижного объекта, заключающийся в измерении положения исполнительного механизма относительно подвижного объекта и в измерении расстояний по крайней мере до двух контролируемых точек подвижного объекта, расположенных вдоль оси объекта, отличающийся тем, что по крайней мере в двух контролируемых точках подвижного объекта и на опорном пункте принимают сигналы от навигационных спутников, измеряют на опорном пункте и по крайней мере в двух контролируемых точках подвижного объекта навигационные параметры от соответствующих спутников, на подвижном объекте переизлучают полученные навигационные параметры и параметры положения исполнительного механизма относительно подвижного объекта, принимают на опорном пункте сигналы, излученные с подвижного объекта, и определяют координаты исполнительного механизма по расстояниям, полученным между соответствующими навигационными спутниками и по крайней мере двумя контролируемыми точками объекта, а также по измеренному положению исполнительного механизма относительно подвижного объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7